新型功能葡聚糖——交替糖的研究與應(yīng)用進(jìn)展

白愛娟，繆 銘，張 濤，江 波

（江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活發(fā)生了很大的變化，如生活節(jié)奏加快、社會(huì)競爭激烈、飲食結(jié)構(gòu)改變、環(huán)境污染等。這些變化無不威脅著人們的健康，而大多數(shù)的人群都處于亞健康狀態(tài)。目前，廣大公眾對自身健康狀況日益關(guān)注，有越來越多的人選擇使用食物來改變這種狀況，從“治已病”為主前移到“治未病”和養(yǎng)生保健，從“被動(dòng)醫(yī)療”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)健康”。為了順應(yīng)現(xiàn)代食品科技發(fā)展的方向并滿足消費(fèi)者的健康需求，低血糖、低熱量的功能性碳水化合物已成為21世紀(jì)健康食品的發(fā)展潮流。交替糖（alternan）是近年來人們發(fā)現(xiàn)的明串珠菌產(chǎn)生的一種新型葡聚糖，與右旋糖苷相比，具有較低的熱量值和升糖指數(shù)，可作為功能性食品添加劑，如增稠劑、填充劑、乳化劑、益生元等，添加到飲料、焙烤制品、乳制品以及特殊營養(yǎng)膳食中。這些優(yōu)點(diǎn)開始引起人們的關(guān)注。文中對交替糖結(jié)構(gòu)、功能性質(zhì)、生物制備以及在食品中的應(yīng)用進(jìn)行了概述。

1 交替糖的理化性質(zhì)

交替糖是由乳酸菌發(fā)酵蔗糖產(chǎn)生的一種胞外多糖，單糖成分僅含有α-吡喃葡萄糖，其主鏈由α-（1→3）糖苷鍵和α-（1→6）糖苷鍵交替連接而成，部分α-（1→6）糖苷鍵存在于分支點(diǎn)，α-（1→3）與α-（1→6）糖苷鍵的含量分別為35%和46.9%[1]。不同來源的菌種，交替糖α-（1→3）與α-（1→6）糖苷鍵的含量略有差異，但均保持交替連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。交替糖的結(jié)構(gòu)與右旋糖酐的結(jié)構(gòu)相似，但糖苷鍵的連接方式不同，圖1顯示了交替糖與右旋糖酐的結(jié)構(gòu)特征。交替糖的平均分子量為1×107u[2]。

交替糖是一種白色的固體粉末、無味、無臭，不溶于乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑，易溶于冷水，溶于水后形成乳藍(lán)白色或青白色溶液。與其他高分子微生物多糖相比，交替糖水溶液的粘度很低，其固有粘度為0.193d L/g[4]。交替糖溶液其粘度與水相差不大，但其粘度隨著交替糖濃度的增加，呈指數(shù)性增加，經(jīng)超聲波處理及酶法修飾的交替糖粘度呈直線增加[5]。高濃度交替糖溶液的粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于阿拉伯膠的粘度，但經(jīng)超聲以及酶法修飾的交替糖，其粘度與阿拉伯膠類似，圖2顯示了多糖溶液濃度與粘度的關(guān)系。

交替糖溶液具有良好的穩(wěn)定性：a.耐熱[6]，在p H7的條件下被加熱高達(dá)120℃，1h時(shí)，未檢測到交替糖聚合度的下降；b.耐酸[7]，在室溫條件下，p H3的酸性環(huán)境中貯存3周以上未發(fā)現(xiàn)交替糖聚合度的下降，而右旋糖酐在酸性條件下加熱會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，經(jīng)異麥芽三糖、異麥芽二塘最終形成葡萄糖；c.抗菌，在室溫條件下，交替糖水溶液放置3周以上很難發(fā)現(xiàn)微生物生長；d.抗酶消化，α-淀粉酶、酵母異麥芽糖酶、葡聚糖水解酶等都很難將交替糖水解[2]。

2 交替糖的生物合成

到目前為止，交替糖還沒有進(jìn)行商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，一般為實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)直接發(fā)酵生產(chǎn)和酶法合成，表1列舉了交替糖不同的生物合成方法。

3 交替糖在自然界中的分布

自然界中能夠分泌交替糖的菌株較少，一般為乳酸菌屬中的明串珠菌，如在泡菜中分離得到的L.mesenteroidesCBI-110[11]，在發(fā)酵面團(tuán)中分離的L.cituremB2[12]，以及美國農(nóng)業(yè)部柑橘實(shí)驗(yàn)室分離得到的L.mesenteroidesNRRL B-1355[4]。自然界中野生的交替糖產(chǎn)生菌株在分泌交替糖的同時(shí)，伴隨右旋糖酐的產(chǎn)生，而且生成交替糖的量十分有限，這說明交替糖在自然界中存在，但是分布不是很廣泛，在自然界中的量也很少。

3.1 發(fā)酵制備

直接發(fā)酵生產(chǎn)交替糖所用的菌種一般為高產(chǎn)交替糖的菌株，發(fā)酵培養(yǎng)基為含高濃度蔗糖的改良MRS培養(yǎng)基。發(fā)酵過程中適當(dāng)?shù)耐ㄈ胙鯕庥欣诮惶嫣堑暮铣?，發(fā)酵溫度一般控制在28～30℃，培養(yǎng)時(shí)間24～48h[13]。采用不產(chǎn)右旋糖酐的菌株直接發(fā)酵生產(chǎn)交替糖時(shí)，可以采用50%的乙醇直接沉淀，獲得交替糖，沉淀后得到的交替糖一般不需進(jìn)行脫色處理即可。但是，高產(chǎn)交替糖而不產(chǎn)右旋糖酐的菌株很少，報(bào)道的僅有Leathers等[14]通過紫外誘變得到的L．mesenteroidesNRRL B-21138。因此，還需研究者通過傳統(tǒng)篩菌以及基因工程的方法進(jìn)一步獲得交替糖的高產(chǎn)菌株。

3.2 酶法合成

與直接發(fā)酵法相比，酶法合成交替糖不涉及右旋糖酐的產(chǎn)生，因此更加直接方便。交替蔗糖酶存在于發(fā)酵上清液以及微生物菌體細(xì)胞壁上，熱穩(wěn)定好，45℃熱處理30min仍保持活性，而右旋糖酐蔗糖酶失活[15]。實(shí)驗(yàn)室利用交替蔗糖酶酶法合成交替糖可以采用兩種方法。一是將發(fā)酵上清液45℃熱處理后，在以10%的蔗糖為底物，p H5.2～5.4的條件下進(jìn)行酶反應(yīng)獲得交替糖[15]。二是可以將交替蔗糖酶提純出來或者通過基因工程菌的方式獲得，直接利用純的交替蔗糖酶進(jìn)行酶反應(yīng)生產(chǎn)交替糖[10]。酶反應(yīng)過程中，蔗糖的濃度在某種程度上影響交替糖分子的分子量大小，20%～50%的蔗糖生成的交替糖分子量偏小。溫度也會(huì)影響交替糖分子量大小，低溫會(huì)延長反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)生分子量較大的交替糖，一般溫度控制在25～35℃。Kok-Jacon等[16]將交替蔗糖酶基因?qū)氲今R鈴薯中，使其在馬鈴薯中表達(dá)，交替糖在馬鈴薯塊莖中積累，利用免疫吸附方法測定，其濃度在0.3～1.2mg/g。

4 交替糖衍生物

4.1 超聲波修飾

超聲波處理高分子量的右旋糖酐可以獲得低分子量的醫(yī)用右旋糖酐，因此，C?té利用超聲波處理交替糖以便獲得低粘度的交替糖，研究發(fā)現(xiàn)，頻率為20k Hz時(shí)，解體后的交替糖分子量約為（8.6±0.6）×105[2]。超聲處理的交替糖的粘度性質(zhì)與阿拉伯膠非常相似，因此超聲交替糖可作為阿拉伯膠的代替物，而且高濃度的超聲交替糖的粘度比天然交替糖小。

4.2 化學(xué)修飾

交替糖可以與多種有機(jī)酸反應(yīng)生成交替糖羧酸酯。交替糖羧酸酯與天然的交替糖相比具有更大的粘度以及乳化穩(wěn)定性。取代度為0.089的交替糖琥珀酸酯在5s-1的剪切速率下仍具有102.1mPa/s的粘度，天然交替糖其粘度僅為7.8mPa/s[17]。在制備交替糖醛酸酯時(shí)，交替糖具有很寬范圍的pH穩(wěn)定性，可以利用有機(jī)酸與交替糖直接發(fā)生反應(yīng)，而不用擔(dān)心交替糖被酸降解。

4.3 生物修飾

Leathers等[5]研究發(fā)現(xiàn)Penicillium產(chǎn)生右旋糖酐酶長時(shí)間（17d）作用于交替糖時(shí)，會(huì)使其分子量從1×107下降到4.9×106。之后他們研究了商業(yè)右旋糖酐酶對交替糖的作用，并優(yōu)化了修飾條件：50℃、p H4.5、125IU/mL的右旋糖酐酶作用于10%的交替糖，5h內(nèi)可以使其分子量降到106[18-19]。修飾后的交替糖粘度與阿拉伯膠的粘度更為接近（見圖2），而且溶液的穩(wěn)定性不變，使交替糖代替阿拉伯膠成為可能。

C?té等[20-21]采用交替糖酶處理交替糖獲得一種由四個(gè)D-葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的納米級環(huán)狀低聚糖，應(yīng)用領(lǐng)域涉及食品、化妝品和藥物傳送體系。

5 交替糖在食品工業(yè)的應(yīng)用

盡管交替糖沒有進(jìn)行商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，但是它具有作為低熱值、功能性食品添加劑的潛力，能夠廣泛的應(yīng)用于飲料、乳制品、焙烤食品以及保健食品中。

5.1 增稠劑

交替糖具有吸水膨脹形成膠狀溶液的性質(zhì)，可以作為增稠劑添加到布丁、酸奶、冰激凌、調(diào)味汁等食品中。交替糖也可以與其他增稠劑如淀粉、淀粉衍生物、變性淀粉配伍使用，將2.25%的淀粉與5%的交替糖加入到布丁中，初始有輕微起泡，凝膠強(qiáng)度為0，一天后凝膠強(qiáng)度達(dá)到16.86，能夠形成布丁凝膠，而僅含有2.25%的淀粉或5%的交替糖的布丁，1d后沒有形成凝膠，仍然處于分層狀態(tài)[22]。

5.2 填充劑

交替糖具有良好的溫度以及p H穩(wěn)定性，在制作焙烤食品時(shí)添加的交替糖，不會(huì)被降解或僅有少量降解，使其保持原有的功能性質(zhì)，改善食品的營養(yǎng)價(jià)值以及感官品質(zhì)。且交替糖具有低升糖指數(shù)、低熱量，在代替異麥芽糖等作為填充劑時(shí)，能夠提高食品的功能特性，被糖尿病人以及肥胖病人食用[6-7]。

5.3 乳化劑

利用有機(jī)酸酯化修飾的交替糖具有良好的乳化穩(wěn)定性，在乳化劑工業(yè)有巨大的發(fā)展前景。Claus等[17]將交替糖辛烯基琥珀酸酯加入到初始濃度30%的葵花籽油中，使其最終濃度為15%，均質(zhì)1min，便可以獲得穩(wěn)定的奶油。而且交替糖辛烯基琥珀酸酯的乳化性能要優(yōu)于阿拉伯膠，研究發(fā)現(xiàn)將等量等濃度的交替糖辛烯基琥珀酸酯和阿拉伯膠溶液分別加入到10%的葵花籽油中，5d后加入阿拉伯膠溶液的葵花籽油出現(xiàn)明顯的分層，而另一組均一性良好。

5.4 益生元

交替蔗糖酶利用蔗糖以及小分子的受體可以產(chǎn)生低聚糖，C?té等[23]對其研究發(fā)現(xiàn)，麥芽糖、蜜二糖、棉籽糖的復(fù)合受體產(chǎn)物（DP2-7）能夠有效地促進(jìn)雙歧桿菌的增殖，從而抑制或減少腸道致病菌群。

5.5 控釋載體

交替糖的降解產(chǎn)物-環(huán)四糖很難被葡萄糖苷酶、淀粉酶水解，而異麥芽糖糊精能夠被完全轉(zhuǎn)化為異麥芽糖，環(huán)四糖可以作為控釋載體加入到抗氧化食品中[24]。

6 展望

隨著亞健康狀態(tài)的普遍存在，以及人們對健康的越來越重視，功能性多糖日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。交替糖作為一種新型的功能性多糖，其獨(dú)特的理化性質(zhì)以及生理功能，使其在食品、藥品以及化妝品行業(yè)具有巨大的應(yīng)用前景。但是，目前國內(nèi)對交替糖的研究仍為空白，國外對交替糖的研究也仍處于初級階段。交替糖的工業(yè)化生產(chǎn)急需解決，可以用于工業(yè)化生產(chǎn)交替糖的菌株，還需進(jìn)一步篩選獲得，利用直接發(fā)酵法以及酶法合成的工藝，也需進(jìn)一步完善。這一問題的解決能夠有效地促進(jìn)交替糖衍生物的開發(fā)，以及交替糖在食品行業(yè)以及其他領(lǐng)域應(yīng)用的研究。

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